Ổn định đập đất dưới tác dụng của tải trọng động đất, áp dụng tính toán cho đập bản Mồng

Vì vậy đề tài: “ Ổn định đập đất dưới tác dụng của tải trọng động đất, áp dụng tính toán cho đập Bản Mồng” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong xây dựng công trình... Một trong những n

Trang 1

Sau thời gian học tập và làm luận văn, được sự nhiệt tình giúp đỡ của các thầy, cô giáo – Trường Đại học Thuỷ Lợi, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Do trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế, tác giả rất mong nhận được mọi ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành Tác giả hy vọng những vấn đề tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần đưa những kiến thức khoa học vào phục vụ sản xuất, nghiên cứu, thiết kế các công trình thuỷ lợi – thuỷ điện

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo –PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo phòng Đào tạo Đại học và sau Đại học, Khoa Công trình – Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập nghiên cứu để tác giả hoàn thành tốt luận văn

Sau cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày tháng 8 năm 2015

Tác giả

Cao Xuân Chinh

Trang 2

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Cao Xuân Chinh

Trang 3

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU v

THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của Đề tài: 1

2 Mục đích của Đề tài: 2

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về động đất 3

1.1.1 Khái niệm và các yếu tố của động đất: 3

1.1.2 Thang động đất 4

1.2 Tình hình động đất ở Việt Nam 6

1.2.1 Kiến trúc kiến tạo Việt Nam và vùng lân cận 6

1.2.2 Vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam 10

1.3 Ảnh hưởng của động đất đến đập đất trên thế giới 15

1.4 Ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng động đất 25

1.4.1 Nguyên nhân phá hoại đập đất dưới tác dụng tải trọng động đất: 25

1.4.2 Hiện tượng hóa lỏng của đất, cát: 26

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 29

2.1 Phương pháp phân tích động đất 29

2.1.1 Phương pháp tính toán tĩnh 29

2.1.2 Phương pháp tính toán động 29

2.2 Lý thuyết cơ sở về phương pháp phần tư hữu hạn 30

2.2.1 Khái niệm về phương pháp phần tử hữu hạn 30

2.2.2 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn 33

2.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn trong Quake/W 36

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG BỐ TRÍ VẬT LIỆU CÓ TÍNH HÓA LỎNG VÀ BỀ RỘNG ĐỈNH ĐẬP KHI CÔNG TRÌNH CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 40

Trang 4

3.1.1 Số liệu và trình tự tính toán 40

3.1.2 Kết quả tính toán 43

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của bề rộng đỉnh đập: 52

3.2.1 Số liệu và trình tự tính toán 52

3.2.2 Trình tự tính toán 52

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐẬP BẢN MỒNG DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 57

4.1 Giới thiệu chung về công trình đập bản Mồng 57

4.2 Tình hình địa chất nền công trình 61

4.2.1 Cấu trúc địa chất 61

4.2.2 Các hoạt động động đất và tân kiến tạo 63

4.3 Phương pháp tiếp cận bài toán 69

4.3.1 Số liệu và các trường hợp tính toán: 69

4.3.2 Phương pháp và trình tự tính toán: 72

4.4 Kết quả tính cho đập bản Mồng 73

4.4.1 Trường hợp 1: Thượng lưu MNDBT là 76.4 m, hạ lưu mực nước ứng với Qxả hoàn lưu là 46,75 m, hệ thống thoát nước làm việc bình thường 73

4.4.2 Trường hợp 2: Thượng lưu MNDBT là 76.4 m, hạ lưu mực nước ứng với Qxả hoàn lưu là 46,75 m, hệ thống thoát nước không làm việc 78

4.4.3 Trường hợp 3: Đập vừa thi công xong 82

4.4.4 Trường hợp 4: Trường hợp mực nước rút nhanh 85

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

5.1 Kết luận 89

5.2 Kiến nghị 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

Trang 5

Bảng 1.1 Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất (theo TCVN

9386:2012) 6

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp thông số đập và ảnh hưởng 16

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn Trung Quốc đề xuất bởi Seed và Idriss (1982) 28

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn Trung Quốc sửa đổi bởi Andrews và Martin (2000) 28

Bảng 3.1 Chỉ tiêu cơ lý của các loại đất 41

Bảng 3.2 Các trường hợp tính toán bố trí vật liệu 43

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết quả tính 51

Bảng 4.1 Quy mô xây dựng chủ yếu của công trình 58

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm cơ lý đất các lớp 3a,5a và 2b 68

Bảng 4.3 Bảng chỉ tiêu đất đắp đập ứng với hệ số đầm nện K = 0,97 69

Bảng 4.4 Thành phần hạt lượng lọt qua sàng lũy tích (%) 69

Bảng 4.5 Trường hợp tính toán thấm và ổn định đập khi chịu tải trọng động đất 70

Bảng 4.6 Bảng tổng hợp kết quả tính toán ổn định đập Bản Mồng 87

Trang 6

Hình 1.1 Sơ đồ truyền sóng động đất 4

Hình 1.2 Bản đồ các vùng phát sinh động đất trên lãnh thổ Việt Nam 12

Hình 1.3 Bản đồ tâm chấm động đất và các đứt gãy sinh động 13

Hình 1.4 Bản đồ các phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam 14

Hình 1.5 Vị trí một số đập chịu ảnh hưởng bởi động đất năm 2001 tại Ấn Độ 15

Hình 1.6 Mặt cắt ngang đập Chang 17

Hình 1.7 Mô phỏng hư hỏng của đập Chang 17

Hình 1.8 Hình ảnh hư hỏng và hóa lỏng của đập Chang trong thực tế 18

Hình 1.9 Mặt cắt ngang đập Shivlakha 18

Hình 1.10 Mặt cắt ngang đập Tapar 19

Hình 1.11 Mặt cắt ngang đập Fatehgadh 19

Hình 1.12 Hình ảnh hư hỏng đập Fatehgadh trong thực tế 20

Hình 1.13 Mặt cắt ngang đập Kaswati 20

Hình 1.14 Hình ảnh hư hỏng đập Kaswati thực tế 20

Hình 1.15 Mặt cắt ngang đập Suvi 21

Hình 1.16 Mô phỏng những hư hỏng của đập Suvi 21

Hình 1.17 Hình ảnh hư hỏng củ đập Suvi thực tế 21

Hình 1.18 Hình ảnh vị trí và mặt cắt ngang đập Fujinuma tại Nhật Bản 22

Hình 1.19 Hình ảnh hư hỏng của đập Fujinuma 23

Hình 1.20 Mô phỏng mặt cắt ngang đập trước và sau động đất 24

Hình 1.21 Hình ảnh đập sau động đất 24

Hình 1.22 Hình ảnh mái thượng lưu đập sau động đất 25

Hình 1.23 Một vài dạng phá hoại đập do dưới ảnh hưởng động đất 26

Hình 1.24 Tác nhân phân phối lại khoảng trống trong đất gây ra hóa lỏng 27

Hình 2.1 Sơ đồ khối của chương trình PTHH 31

Hình 3.1 Mô hình bái toán xem xét 41

Hình 3.2a,b Hàm mẫu xác định chu kỳ gây hóa lỏng 42

Hình 3.3 Biểu đồ ghi gia tốc động đất a=0.1746g 42

Hình 3.4 Mô hình mô phỏng bài toán (TH1) 43

Hình 3.5 Kết quả tính thấm (TH1) 43

Hình 3.6 Kết quả tính áp lực nước lỗ rỗng ban đầu (TH1) 43

Hình 3.7 Kết quả tính ổn định mái thượng lưu khi chưa xảy ra động đất (TH1) 44

Hình 3.8 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu khi chưa xảy ra động đất (TH1) 44

Hình 3.9 Kết quả tính áp lực nước lỗ rỗng khi xảy ra động đất (TH1) 44

Trang 7

Hình 3.11 Kết quả tính ổn định mái thượng lưu khi xảy ra động đất (TH1) 45

Hình 3.12 Kết quả tính ổn định mái hạ lưu khi xảy ra động đất (TH1) 45

Hình 3.13 Kết quả thể hiện phạm vi hóa lỏng trong đập (TH1) 45

Hình 3.14 Kết quả thể hiện biến dạng của đập (TH1) 46

Hình 3.17 Kết quả tính áp lực nước dư khi xảy ra động đất (TH2) 46

Hình 3.36 Biểu đồ ghi gia tốc động đất (a=0,6g) 52

Hình 3.37 Kết quả thể hiện miền hóa lỏng trong trường hợp B=20m (H=30m) 53

Trang 8

Hình 3.48 Kết quả thể hiện miền hóa lỏng trong trường hợp B=2m (H=70) 55

Hình 4.1 Mặt cắt đập tính toán 69

Hình 4.2 Biểu đồ ghi gia tốc động đất 71

Hình 4.3a,b Hàm mẫu xác định chu kỳ gây hóa lỏng 71

Hình 4.4a,b Hàm mẫu xác định chu kỳ gây hóa lỏng và áp lực nước lỗ rống cát ống khói 71 Hình 4.5 Mô hình bài toán trên Geoslope (TH1) 73

Hình 4.6 Kết quả tính thấm qua đập (TH1) 73

Hình 4.7 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu (TH1) 73

Hình 4.8 US tổng ban đầu theo phương Y (Y Total stress) kPa (TH1) 73

Hình 4.9 US hiệu quả ban đầu theo phương Y (Y Effective – Stress) kPa (TH1) 74

Hình 4.10 US tổng theo phương Y (Y Total stress) khi động đất kPa (TH1) 74

Hình 4.11 US hiệu quả theo phương Y (Y Effective – Stress) khi động đất kPa (TH1) 74

Hình 4.12 Phạm vi hóa lỏng dưới ảnh hưởng động đất (TH1) 74

Hình 4.13 Ổn định mái hạ lưu khi chưa xảy ra động đất (TH1) 75

Hình 4.14 Ổn định mái thượng lưu khi chưa xảy ra động đất (TH1) 75

Hình 4.15 Ổn định mái hạ lưu khi xảy ra động đất (t=6s) (TH1) 75

Hình 4.16 Ổn định mái thượng lưu khi xảy ra động đất (t=2.8s) (TH1) 75

Hình 4.17 Chuyển vị theo phương X (TH1) 76

Hình 4.18 Chuyển vị theo phương Y (TH1) 76

Hình 4.19 Kết quả thể hiện biến dạng đập (TH1) 76

Hình 4.20 Hệ số ổn định mái thượng lưu Kmin và Kminmin theo t 76

Hình 4.21 Hệ số ổn định mái hạ lưu Kmin và Kminmin theo t 77

Hình 4.22 Gia tốc theo phương ngang của điểm quan sát tại đỉnh đập 77

Hình 4.23 Gia tốc theo phương ngang của điểm quan sát trong thân đập 77

Hình 4.24 Gia tốc theo phương ngang của điểm quan sát đáy đập 77

Hình 4.25 Biểu đồ gia tốc tại các điểm quan sát 78

Hình 4.26 Kết quả tính thấm qua đập (TH2) 78

Hình 4.27 Áp lực nước lỗ rống ban đầu (TH2) 78

Trang 9

Hình 4.33 Ổn định mái hạ lưu khi chưa xảy ra động đất (TH2) 80

Hình 4.34 Ổn định mái hạ lưu khi xảy ra động đất (t=6s) (TH2) 80

Hình 4.35 Chuyển vị theo phương X của đập (TH2) 80

Hình 4.36 Chuyển vị theo phương Y của đập (TH2) 80

Hình 4.37 Kết quả biến dạng đập (TH2) 81

Hình 4.38 Hệ số ổn định mái hạ lưu Kmin và Kminmin theo thời gian 81

Hình 4.39 Gia tốc theo phương ngang của điểm quan sát tại đỉnh đập 81

Hình 4.40 Gia tốc theo phương ngang của điểm quan sát trong thân đập 81

Hình 4.41 Gia tốc theo phương ngang của điểm quan sát đáy đập 82

Hình 4.42 Mô phỏng bài toán trong Geoslope (TH3) 82

Hình 4.45 Ổn định mái hạ lưu trước khi xảy ra động đất (TH3) 83

Hình 4.46 Ổn định mái thượng lưu trước khi xảy ra động đất (TH3) 83

Hình 4.49 Phạm vi hóa lỏng trong thân đập 84

Hình 4.50 Biến dạng đập khi xảy ra động đất (TH3) 84

Hình 4.51 Ổn định mái hạ lưu khi xảy ra động đất (TH3) 84

Hình 4.52 Ổn định mái thượng lưu khi xảy ra động đất (TH3) 84

Hình 4.53 Kết quả tính thấm ổn định (TH4) 85

Hình 4.54 Kết quả tính thấm theo thời gian (TH4) 85

Hình 4.59 Phạm vi hóa lỏng dưới ảnh hưởng động đất (TH4) 86

Hình 4.60 Ổn định mái thượng lưu khi chưa xảy ra động đất (TH4) 86

Hình 4.61 Ổn định mái thượng lưu khi xảy ra động đất (TH4) 87

Hình 4.62 Biến dạng đập khi xảy ra động đất (TH4) 87

Trang 10

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của Đề tài:

Động đất là một trong những thiên tai khốc liệt của tự nhiên Nhiều thảm họa

do động đất gây ra trên thế giới đã là lời cảnh tỉnh cho chúng ta Có thể kể ra một số thiệt hại do động đất gây ra như: Trận động đất ở Thiểm Tây, Trung Quốc năm

1556 làm 80.000 người chết,Trận động đất ở Messina - Italia năm 1909 đã làm chết 160.000 người, trận động đất San Fernando ở California năm 1971 phá hủy nhiều cầu trên đường cao tốc và phá hỏng đập đất Lower San Fernando, trận động đất ở Côbê - Nhật Bản 17/01/1995 làm chết 5.502 người, trận động đất ở Ấn Độ 26/01/2001 làm chết 20.023 người, trận động đất ở Đông Bắc Iran 26/12/2004 làm chết 31.884 người, trận động đất ở Bắc Sumtra, Inđônêxia, Thái Lan, Sri Lanka, Ấn

Độ, Bănglađét 26/12/2004 làm chết 280.000 người, trận động đất ở Pakixtan, Ấn

Độ 08/10/2005 làm chết hơn 54.000 người, trận động đất kinh hoàng ở Tứ Xuyên - Trung Quốc 12/05/2008 làm chết gần 10.000 người, trận động đất ở Abruzzo Italia ngày 05/4/2009 làm chết hơn 280 người, gần đây nhất là thảm họa kép động đất – sóng thần ở Nhật Bản làm hư hỏng toàn bộ công trình nhà cửa đặc biệt là gây rò rỉ phóng xạ ở nhà máy điện hạt nhân Fukusima… Ở Việt Nam động đất chưa gây thiệt hại to lớn Tuy nhiên, trong thời gian gần đây thường xuyên xảy ra động đất gây sợ

hãi trong dân chúng như: Động đất ở khu vực thủy điện Sông Tranh 2…Nhìn chung, động đất gây ra hậu quả vô cùng to lớn, nếu động đất gây vỡ đập của hồ chứa nước thì hậu quả lại càng nghiêm trọng hơn

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, để đảm bảo nguồn nước phục

vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt, phát điện và các ngành kinh tế khác thì nhu cầu xây dựng hồ chứa nước là rất lớn Để tạo nên hồ chứa nước phải xây dựng đập giữ nước như: đập đất, đập đá đổ, đập bê tông trọng lực, đập bê tông cốt thép,…trong

đó đập đất chiếm một tỷ lệ khá lớn

Vì vậy đề tài: “ Ổn định đập đất dưới tác dụng của tải trọng động đất, áp dụng tính toán cho đập Bản Mồng” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong xây dựng công trình

Trang 11

Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của kỹ thuật chống động đất là xây dựng các phương pháp xác định các ứng xử động lực của công trình khi chịu động đất Để xác định ứng xử của công trình chịu tác dụng của động đất, người ta sử dụng phương pháp tính toán tĩnh lực và phương pháp tính toán động lực

Thu thập, phân tích đánh giá các tài liệu liên quan, các quy phạm hướng dẫn tính toán từ đó đưa ra kết luận và biện pháp xử lý

- Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với đúc rút kinh nghiệm thực tế, dựa trên chỉ dẫn tính toán của các quy trình quy phạm, sử dụng mô hình toán và các phần mềm ứng dụng.Cụ thể đề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm GEOSLOPE 2007

- Phương pháp chuyên gia, hội thảo Tranh thủ sự góp ý của các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp để phát triển ý tưởng và khuyết điểm của đề tài trong quá trình thực hiện

- Phương pháp phân tích tổng hợp Đánh giá tổng quát kết quả nghiên cứu, về

ưu nhược điểm và phương hướng giải quyết

Trang 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.1.2 Các yếu tố của động đất

- Chấn tiêu: Nơi phát sinh động đất gọi là chấn tiêu Chấn tiêu động đất

thường ở sâu một vài km đến hàng chục km Khối vật chất bị phá hoại đầu tiên được giả thuyết tại một điểm, từ điểm đó bắt đầu truyền các sóng

- Chấn tâm: Hình chiếu của chấn tiêu động đất lên mặt đất gọi là trung tâm

động đất hay chấn tâm Chấn tâm là điểm trên bề mặt đất có sóng chấn động đến sớm nhất

- Sóng động đất: Năng lượng động đất lan truyền trong đất đá dưới các dạng

sóng đàn hồi Sóng dọc và sóng ngang từ chấn tiêu lan truyền bốn phía dưới dạng các tia sóng địa chấn Tia địa chấn cũng bị phản ánh hay khúc xạ khi gặp các tầng

đá có tính đàn hồi và tỷ trọng khác nhau Từ chấn tâm các dao động sẽ truyền ra xung quanh theo các làn sóng đồng tâm tựa như sự dao động của mặt nước khi nén một vật vào nước và được gọi là sóng mặt đất Tốc độ sóng mặt đất nhỏ hơn tốc độ sóng ngang nhưng cũng là nguyên nhân gây ra phá hoại lớn

Như vậy, tại một điểm nào đó trên bề mặt đất, trước hết nhận được các chấn động dọc, đến các chấn động ngang từ các chấn tiêu động đất lan truyền lên, sau đó nhận các chấn động xuất phát từ chấn tâm Tất cả các chấn động đó sẽ giao thoa với nhau

và tạo ra một chấn động phức tạp

Sóng chấn động lan truyền trong mọi môi trường chất rắn, chất lỏng, không khí và có phương di chuyển cùng chiều với phương chấn động

Trang 13

Tốc độ truyền trung bình trong không khí là 330m/s, trong nước là 1500m/s và trong vật rắn là 5000-6000m/s

Sóng chấn động ngang chỉ lan truyền trong môi trường vật chất rắn

Theo công cơ học thì sóng chấn động dọc và ngang tỷ lệ theo hệ số 3

Hình 1.1 Sơ đồ truyền sóng động đất

- Gia tốc địa chấn a: là một đặc trưng cho lực động đất Đó là lượng dịch chuyển

của bề mặt trái đất trong một đơn vị thời gian Lượng dịch chuyển này đặc trưng cho gia tốc mà các hạt đất đá ở mặt đất đạt được dưới tác dụng của sóng địa chấn

1.1.2.1 Độ lớn của động đất theo M:

Độ lớn của động đất M hay còn gọi là độ Richter

+ 1 - 2: không nhận biết được;

+ 2 - 4: có thể nhận biết nhưng thường không gây thiệt hại;

+ 4 - 5: mặt đất rung chuyển, nghe tiếng nổ, thiệt hại không đáng kể;

+ 5 - 6: nhà cửa rung chuyển, một số công trình có hiện tượng nứt;

+ 6 - 7: nhà cửa bị hư hại nhẹ;

+ 7 - 8: động đất mạnh phá hủy hầu hết các công trình xây dựng thông thường,

có vết nứt lớn hoặc lún sụt trên mặt đất;

Trang 14

+ 8 - 9: nhà cửa đổ nát, nền đất bị lún sâu đến 1m, sụp đổ lớn ở núi kèm theo thay đổi địa hình trên diện rộng;

+ > 9: rất hiếm khi xảy ra

Những trận động đất có M > 7 không xảy ra khắp mọi nơi mà thường tập trung

ở những vùng nhất định, gọi là đới hoạt động địa chấn mạnh

1.1.2.2 Thang MSK- 64 gồm 12 cấp:

+ Cấp 1: Động đất không cảm thấy, chỉ có máy mới ghi nhận được

+ Cấp 2: Động đất ít cảm thấy (rất nhẹ) Trong những trường hợp riêng lẻ, chỉ

có người nào đang ở trạng thái yên tĩnh mới cảm thấy được;

+ Cấp 3: Động đất yếu Ít người nhận biết được động đất Chấn động y như tạo

ra bởi một ô tô vận tải nhẹ chạy qua;

+ Cấp 4: Động đất nhận thấy rõ Nhiều người nhận biết động đất, cửa kính có thể kêu lạch cạch;

+ Cấp 5: Thức tỉnh Nhiều người ngủ bị tỉnh giấc, đồ vật treo đu đưa;

+ Cấp 6: Đa số người cảm thấy động đất, nhà cửa bị rung nhẹ, lớp vữa bị rạn; + Cấp 7: Hư hại nhà cửa Đa số người sợ hãi, nhiều người khó đứng vững, nứt lớp vữa, tường bị rạn nứt;

+ Cấp 8: Phá hoại nhà cửa; Tường nhà bị nứt lớn, mái hiên và ống khói bị rơi; + Cấp 9: Hư hại hoàn toàn nhà cửa; nền đất có thể bị nứt rộng 10 cm;

+ Cấp 10: Phá hoại hoàn toàn nhà cửa Nhiều nhà bị sụp đổ, nền đất có thể bị nứt rộng đến 1 mét;

+ Cấp 11: Động đất gây thảm họa Nhà, cầu, đập nước và đường sắt bị hư hại nặng, mặt đất bị biến dạng, vết nứt rộng, sụp đổ lớn ở núi;

+ Cấp 12: Thay đổi địa hình Phá huỷ mọi công trình ở trên và dưới mặt đất, thay đổi địa hình trên diện tích lớn, thay đổi cả dòng sông, nhìn thấy mặt đất nổi sóng

Trang 15

Bảng 1.1 Bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất (theo TCVN

Về mặt kiến tạo, lãnh thổ Việt Nam và các vùng lân cận nằm ở vị trí khá đặc biệt Trên bản đồ kiến tạo mảng của vỏ trái đất, lãnh thổ Việt Nam nằm trên một phần của mảng Á- Âu, bị kẹp giữa ba mảng có mức độ hoạt động mạnh đó là các mảng châu Úc, mảng Philipin và mảng Thái Bình Dương Phía Tây và phía Nam của nước ta là vành đai đông Himalaya và rãnh sâu Java được tạo ra do sự va chạm

Trang 16

giữa mảng châu Úc với mảng Á- Âu, còn phía đông là vành đai núi lửa Thái Bình Dương và mảng Philipin với mảng Á-Âu Dưới đây là mô tả tóm tắt các đơn vị cấu trúc trên nền đất liền và thềm lục địa Viêt Nam

Miền nền cổ hoạt động Hoa Nam

Miền nền cổ hoạt động Hoa Nam bao gồm toàn bộ phần đông bắc Việt Nam với ranh giới tây nam là đứt gãy sông Hồng Có thể phân chia miền này làm hai miền phụ lớn là vùng rìa Hoa Nam và đới kiến trúc Katazia (Hoa Á) với ranh giới quy ước là đới đứt gãy sông Thương- Lạng Sơn- Nam Định Miền nền cổ Hoa Nam thuộc miền vỏ lục địa hình thành vào đầu Rifei, còn đới kiến trúc Katazia thuộc miền vỏ lục địa hình thành vào đầu Devon Tuy nhiên về cấu trúc và lịch sử của chúng trong Fanerozoi không có gi khác biệt lớn Về tổng thể có thể coi toàn bộ phần Đông Bắc Việt Nam là miền các trúc Caledonit với các hệ vật chất chủ yếu là: Phúc hệ móng trước Caledoni ( PR ); phức hệ móng trước Caledoni ( PR); phức hệ Caledoni ( PR3- S); phức hệ Epicaledoni( D-P1); phức hệ hoạt hóa (T2-T3k) và phức hệ các thành tạo lục địa (T3n-r-Q)

Miền nền cổ Hoa Nam bị phân chia thành các đơn vị kiến tạo sau:

Trong phụ miền rìa nền Hoa Nam có đới uồn nếp Lô-Gâm( gồm phức nếp lối sông Lô và phức nếp lõm sông Gâm), đới uốn nếp Bắc Thái – Hạ Long, gồm đới phức nếp lồi Bắc Thái và đới phức nếp lõm Hạ Long, ngăn cách bởi đứt gãy Cao Bằng- Tiên Yên

Trong phụ miền Katazia có đới phức nếp lõm An Châu, đới phức nếp lồi Quảng Ninh( hay còn gọi đới Duyên Hải)

Các đơn vị cấu trúc kể trên đều thuộc kiến trúc Caledonit,, nghĩa là có tuổi uồn nếp vào cuối Paeozoi sớm ngoài ra trong miền đông bắc Việt Nam còn tồn tại các kiến trúc chồng gối là trũng sông Hiến và trũng An Châu, phát triển trong Mezozoi và các trũng sụt lún dạng địa hào Kainozoi như trũng sông Hồng và các trũng nhỏ giữa núi được hình thành theo cơ chế kéo toạc (pull-apart) dọc theo các đới đứt gãy lớn như các trũng : Cao Bằng, Thất Khê, Lộc Bình, Tuyên Quang…

Trang 17

Địa khối Indosini

Địa khối Indosini, tiếp giáp với đới Trường Sơn ở phía đông bắc qua đứt gãy Trà Bồng, ở phía tây nam bộ qua đứt gãy sông Hậu, ở phía tây với miền uồn nếp Thái Lan- Mã Lai qua đứt gãy Lai Châu- Điện Biên và ở phía đông giới hạn bởi đứt gãy kinh tuyến 110oE, là khu vực có tuổi hình thành vỏ lục địa cổ nhất ở Đông

Dương, với phần nhân là khối nhô Kontum lộ ra phức hệ siêu biến chất tuổi Arkei( phức hệ Kanak) Hoạt động của các miền và đới kiến tạo kế cận làm cho khối Indosini bị biến cải khá mạnh, đặc biệt là phần Đông Nam (thuộc lãnh thổ Nam Việt Nam, Campuchia và Nam Lào) Các hoạt động đó đã phân chia địa khối Indosini thành các đơn vị kiến trúc sau:

-Khối nhô móng tiền Cambri Kontum

-Đới kiến trúc Caledenit Sê Công

-Đới kiến trúc sông Bé- Xrêpôc

-Đới kiến trúc chồng Mezozoi Đà Lạt

Hệ thông uốn nếp bắc Việt Nam

Bao gồm miền uốn nếp Mezoit Tây Bắc Việt Nam và miền Hecxinit Trường Sơn Phía Tây nó tiếp xúc với miền uốn nếp Thái Lan- Mã Lai dọc theo đứt gãy Điện Biên- Lai Châu; phía Tây Nam giáp vối với địa khối Indosini qua đới khâu Thà Khẹt- Trà Bồng, phía Đông Bắc tiếp giáp với nền cổ Hoa Nam qua đới đứt gãy sông Hồng, phía Đông Nam, một phần của miền bị chìm xuống biển Đông

Khác với miền đông bắc Việt Nam cấu trúc kiến tạo của hệ thống uốn nếp Bắc Việt Nam có phương phát triển chủ đạo là Tây Bắc- Đông Nam Chúng tạo thành dải cấu trúc hẹp kéo dài, điều này đặc biệt rõ nét ở lãnh thổ Tây Bắc Việt Nam Đây là miền uồn nếp địa máng điển hình với các cấu trúc có tuổi khác nhau

và được hình thành, phát triển trong không gian giữa hai lục địa châu Á và Indosini, vào thời điểm chúng xích lại gần nhau làm khép kín đại dương cổ Tethys

Trang 18

Hệ uốn nếp Thái Lan- Mã Lai

Hệ uốn nếp Thai Lan- Mã Lai thuộc miền vỏ lục địa hình thành vào Trias muộn- Jura Trên lãnh thổ Việt Nam chỉ có một phần của miền uốn nếp này, đó là đới Mường Tè và đới Tây Nam Bộ

Trũng Kainozoi sông Hồng

Trên bình đồ kiến trúc kiến tạo miền Bắc Việt Nam, trũng sông Hồng có một

vị trí quan trọng trong hoạt động kiến tao Kainozoi Trũng được hình thành và phát triển trên miền dập vỡ và tách giãn một bộ phận của rìa nền Hoa Nam

Cấu trúc trũng sông Hồng tương đối đa dạng và chia làm hai tầng rõ rệt:

Tầng cấu trúc Oligoxen-Mioxen(P-N1) có bề dày lớn và biến vị mạnh mẽ, tầng cấu trúc này chỉ có mặt trong địa hào Hà Nội, địa hào Ninh Bình, địa hào sông Hồng(

từ Bảo Hà đến Trung Hà)

Tầng cấu trúc Plioxen- Đệ tứ (N2-Q) có diện phân bố rộng hơn nhiều và tạo thành lớp phủ bất chỉnh hợp trên các thành tạo Oligoxen-Mioxen, chiếm toàn bộ diện tích đồng bằng châu thổ Bắc Bộ Về không gian trũng sông Hồng có thể phân chia thành ba dải cấu trúc phương Tây Bắc- Đông Nam Đó là dải Đông Bắc, dải trung tâm và dải Tây Nam

Dải rìa Đông Bắc cách biệt với dải trung tâm bằng đứt gãy sông Lô Dải có cấu trúc phức tạp, với móng khối tảng, tạo nên các khối nhô sụt nối tiếp nhau theo phương Tây Bắc- Đông Nam Dưới lớp phủ Neogen- đệ tứ không ổn định là các đá lục nguyên tuổi Triat-Jura và đá tuổi Paleozoi trung- thượng lộ ra ở nhiề nơi

Dìa tây nam đặc trưng bởi cấu trúc dạng bậc thang về phía đông bắc Ranh giới của dải với dải trung tâm là đứt gãy sông Chảy lớp bao phủ Nogen- đệ tứ nằm trên các trầm tích lục nguyên, cacbonat, phun trào base thuộc võng sông Đà và các

đá kết tinh Proterozoi, lộ ra rải rác trong đới Phía tây nam, sát đứt gãy sông Hồng

là địa hào hẹp Ninh Bình có bề dày các tạo thành Neogen- đệ tứ lớn

Giữa hai đứt gãy sông Chảy và sông Lô là dải trung tâm Thực chất đây chính là một địa hào (địa hào Hà Nội) với sự sụt lún mạnh mẽ trong Oligoxen-Neogen với chiều dày trầm tích đạt tới 5000-6000 m

Trang 19

Các hoạt động nén ép ngang vào cuối Mioxen ( N31) đã gây nên quá trình uốn nếp và phá hủy mạnh mẽ trong các thành tạo Neogen, tạo nên một loạt các uốn nếp lồi và lõm…

Trũng Kainozoi Cửu Long

Một số nhà khoa học cho rằng lãnh thổ Việt Nam và khu vực phụ cận đang chịu ảnh hưởng kéo theo của sự va chạm đồng thời của nhiều mảng kiến tạo Nhưng

sự va chạm này khiến dãy Hymalaya cao dần lên và làm phần phía nam của lục địa Đông Á bị biến dạng và phân chia thành các mảng nhỏ chuyển động theo các hướng khác nhau chủ yếu là hướng Đông- Đông Nam Lãnh thổ Việt Nam cùng với khu vực phụ cận đang duỗi dần về phía Đông- Đông Nam với tốc độ khoảng 50 mm/ năm

1.2.2 Vùng phát sinh động đất mạnh trên lãnh thổ Việt Nam

Vùng rìa nền hoạt đông Hoa Nam

Chiếm phần Đông Bắc Việt Nam kể từ đứt gãy sông Hồng vùng này bao gồm khối nâng Việt Bắc và đới uốn nếp Katazia,là nơi hoạt động kiến tạo hiện đại diễn ra mạnh mẽ; ở đây đã xảy ra các trận động đất cấp VII Lục Yên 1953,1954, Bắc Giang

1961 và nhiều động đất cấp VI-VII Phần còn lại hoạt động kiến tạo bình ổn hơn, kèm theo là biểu hiện động đất yếu hơn; ở đây mới chỉ xảy ra động đất cấp VI

Vùng uốn nếp Tây Bắc Việt Nam

Trải rộng từ đứt gãy sông Hồng đến vùng đứt gãy Lai Châu- Điện Biên ở phía Tây, sông Cả , Rào Nậy ở phía Tây Nam Hoạt động kiến tạo ở đây diễn ra mạnh mẽ và phân dị, hoạt động động đất cũng diễn ra mạnh mẽ và phân dị những trận động đất mạnh nhất Việt Nam như động đất cấp VIII Yên Định, Thanh Hóa,

1635, động đất cấp VIII Điện Biên 1935, động đất cấp VIII Tuần Giáo đều xảy ra trong vùng này

Vùng uốn nếp Việt Lào

Kéo dài từ đứt gãy Rào Nậy đến đứt gãy sông Trà Bồng Quảng Nam So với vùng uốn nếp Tây Bắc Việt Nam, hoạt động kiến tạo ở đây yếu hơn, hoạt động đất cũng kém rõ ràng và yếu ớt hơn, ở đây cũng chỉ mới quan sát thấy động đất cấp VI

Trang 20

Địa khối Indosini

Nối tiếp vùng uốn nếp Việt Lào, kéo dài tới đứt gãy sông Hậu Giống như vùng rìa nền Hoa Nam, đây là một vùng nền hoạt động kiến tạo tương đối bình ổn, trừ đới ven rìa đông của vùng Ở đây đã xảy ra nhiều động đất cấp VII, như động đất cấp VII Phan Thiết năm 1877,1882, động đất núi lửa Hòn Tro, Phú Quý, năm

1923, động đất cấp VII Cheo Reo 1928, động đất cấp VII sông Cầu, Bình Định năm

1970, 1972 và nhiều động đất vùng biển Bình Thuận Động đất kèm theo hoạt động núi lửa ở vùng biển Đông Nam của vùng là một đặc điểm của vùng này

Vùng hoạt động núi lửa

Một trong những biểu hiện độc đáo của vùng vận động kiến tạo mới ở Việt Nam là các phun trào của núi lửa diễn ra ở phía nam của lãnh thổ, thuộc vành đai núi lửa Đông Nam Đông Dương Có thể phân ra hai giai đoạn chính Giai đoạn Pleistocen sớm: dung nham phun ra theo các đứt gãy lớn, lấp đầy thung lũng và đồng bằng bóc mòn tích tụ Neogen Giai đoạn Holoxen: hoạt động hạn chế hơn và thường phun lên từ vị trí sâu hơn theo đứt gãy á kinh tuyến trong thế kỷ thứ 19 cũng như thời gian gần đây, hoạt động núi lửa còn tiếp tục ở vùng ven biển thuộc tỉnh Bình Thuận, Khánh Hòa Các vụ nổ núi lửa đã gây ra những trận động đất núi lửa các trận động đất cấp VII ở bờ biển Phan Thiết năm 1877 và 1882 và chuỗi động đất xảy ra năm 1928 ở ven biển tỉnh Bình Thuận đều có liên quan với những phun trào bazan theo các khe nứt hoặc các họng núi lửa mới Hai trận động đất xảy

ra năm 1960 và 1963 ở vùng đảo Hòn Nước, theo Saurin, cũng liên quan với hoạt động của núi lửa ngầm ở vùng này

Trang 21

Hình 1.2 Bản đồ các vùng phát sinh động đất trên lãnh thổ Việt Nam

Trang 22

Hình 1.3 Bản đồ tâm chấm động đất và các đứt gãy sinh động

đất trên lãnh thổ Việt Nam

Trang 23

Hình 1.4 Bản đồ các phân vùng gia tốc nền trên lãnh thổ Việt Nam

Trang 24

1.3 Ảnh hưởng của động đất đến đập đất trên thế giới

• Ấn Độ:

Hình 1.5 Vị trí một số đập chịu ảnh hưởng bởi động đất năm 2001 tại Ấn Độ Ngày 26/01/2011 tại Ấn Độ xảy ra trận động đất có cường độ 7,6 độ Richter Trận động đất đã gây ảnh hưởng lớn đến một lượng lớn các đâp vừa và nhỏ tại Ấn

độ Tuy nhiên trong thực tế đã không để lại hậu quả thật sự nghiêm trọng do (1) tại thời điểm xảy ra động đất hầu hết các đập đều không chứa nước; (2) các đập biến dạng một cách hợp lý mặc dù chịu gia tốc động đất lớn khoảng 0,5g Nguyên nhân gây hư hỏng ở các đập chủ yếu là do sự hóa lỏng của nền móng công trình

Trang 25

Fatehgadh 4049 11,6 0,3g 80

Có khả năng hóa lỏng nền gần chân mái thượng lưu, hư hỏng nhẹ mái thượng lưu, nứt

nẻ

nẻ, rò rỉ

Có khả năng hóa lỏng nền, mái thượng lưu và

hạ lưu hư hỏng, nứt nẻ

nẻ

Hóa lỏng nền gần chân mái thượng lưu, hư hỏng nhẹ mái thượng lưu, nứt nẻ

Trang 26

Đập Chang (Dạng đập nhiều khối, tường lõi chống thấm, thoát nước kiểu lăng trụ

Hình 1.6 Mặt cắt ngang đập Chang

Hình 1.7 Mô phỏng hư hỏng của đập Chang

Trang 27

Hình 1.8 Hình ảnh hư hỏng và hóa lỏng của đập Chang trong thực tế

Đập Shivlakha (Dạng đập nhiều khối, tường lõi chống thấm, thoát nước kiểu lăng

trụ thể đá đổ):

Đập được xây dựng năm 1954 cao 18m và chiều dài đỉnh đập khoảng 300m Đập được thiết kế dạng đập nhiều khối, trên nền cát và bùn hỗn hợp trên nền đá sa thạch Trận động đất đã làm các loại đất phù sa bên dưới đập đạt đến một trạng thái bão hòa Sự bão hòa đã dẫn đến sự mất ổn định gây nên các vết nứt lớn cả phía thượng lưu

và hạ lưu Sau trận động đất, đỉnh đập bị hạ thấp khoảng 5m so với ban đầu

Hình 1.9 Mặt cắt ngang đập Shivlakha

Trang 28

Đập Tarpa (Đập có lõi chống thấm):

Đập được xây dựng năm 1976 cao 15,5m tại vị trí cao nhất và chiều dài đỉnh đập khoảng 1350m, năm 1990 đập được đắp cao thêm 2m Đập được thiết kế dạng đập nhiều khối, trên nền đất phù sa dày hơn 30m Trận động đất đã làm các nền phía thượng lưu đập đạt đến một trạng thái bão hòa Sự bão hòa đã dẫn đến sự mất ổn định gây nên các vết nứt lớn cả phía thượng lưu và hạ lưu

Hình 1.10 Mặt cắt ngang đập Tapar

Đập Fatehgadh (Dạng đập có lõi chống thấm, thoát nước kiểu ống khói)

Được xây dựng năm 1979, chiều cao 11,6m, dài 4050m Đập được xây dựng trên nền hỗn hợp cát bụi từ lỏng lẻo đến chặt vừa Sau trận động đất xuất hiện các vết nứt với độ rộng khoảng từ 1,5 đến 1,7m phía thượng lưu và vùng bất ổn gần phía trên mái hạ lưu, tuy nhiên vấn đề nứt ngang này không liên quan đến sự hóa lỏng của đất nền

Hình 1.11 Mặt cắt ngang đập Fatehgadh

Trang 29

Hình 1.12 Hình ảnh hư hỏng đập Fatehgadh trong thực tế

Đập Kaswati Dam (Dạng đập có lõi chống thấm, thoát nước kiểu ống khói):

Đập được xây dựng năm 1973, chiều cao nhất 12,9m, chiều dài đập 1455m trên nền hỗn hợp cát từ cát lỏng lẻo đến chặt vừa Sau trận động đất phía hạ lưu gần như không bị ảnh hưởng, phía thượng lưu nền phía dưới bị hóa lỏng, mặt đập bị sụt

lún và nứt nẻ

Hình 1.13 Mặt cắt ngang đập Kaswati

Hình 1.14 Hình ảnh hư hỏng đập Kaswati thực tế

Trang 30

Đập Suvi : (Đập nhiều khối, lõi chống thấm, tường chống thấm nền đập)

Đập được xây dựng năm 1959 có chiều cao nhất 16,5m, chiều dài đập 2100m trên nền hỗn hợp cát từ cát lỏng lẻo đến chặt vừa Năm 1900 đập được đắp cao thêm 1m Sau trận động đất phía hạ lưu gần như không bị ảnh hưởng, phía thượng lưu và đỉnh đập nền phía dưới bị hóa lỏng, mặt đập bị sụt lún và nứt nẻ

Hình 1.15 Mặt cắt ngang đập Suvi

Hình 1.16 Mô phỏng những hư hỏng của đập Suvi

Hình 1.17 Hình ảnh hư hỏng củ đập Suvi thực tế

Trang 31

• N hật Bản:

Trận động đất Tohoku Offshore (Nhật Bản) ngày 11/3/2011, M9.0 Sau trận động đất Chính quyền Nhật Bản đã phải kiểm tra hơn 400 con đập Theo báo cáo của Thành phố Matsumoto (2011), hầu như tất cả những con đập này đã đứng vững với thiệt hại nhỏ, ngoại lệ đập Fujinuma, một đập nằm

ở phía nam Fukushima có chiều cao tối đa khoảng 18,5 mét và dung tích hồ chứa khoảng 1,5 triệu mét khối Trận động đất đã làm phá hủy hoàn toàn đập,

sự cố vỡ đập làm nước trong hồ chứa chảy ra không thể kiểm soát Lượng nước từ hồ chứa đã chảy về phía hạ lưu vào một ngôi làng nhỏ gây tử vong 8 người (Matsumoto, 2011; Towhata et al, 2011)

Hình 1.18 Hình ảnh vị trí và mặt cắt ngang đập Fujinuma tại Nhật Bản

Trang 32

Hình 1.19 Hình ảnh hư hỏng của đập Fujinuma

Trang 33

• Mỹ

Vào ngày 09/2/1971, tại miền Nam California (Mỹ) xảy ra một trận động đất với cường độ 6,6 độ Richter Trận động đất đã gây hóa lỏng đập Lower San Fernando và Upper San Fernando Tuy nhiên mức độ thiệt hại của đập Upper San Fernando ít hơn đập Lower San Fernando Trận động đất đã làm gần như toàn bộ phần mái thượng lưu đập trượt xuống hồ, việc không xử lý kịp thời có thể dẫn đến một thảm họa lớn Xét tình hình vô cùng cấp bách, khoảng 80.000 người trên diện tích 11 dặm vuông đã buộc phải sơ tán khẩn cấp Đơn vị quản lý hồ đã phải xả nước ngay sau khi sự cố xảy ra

Hình 1.20 Mô phỏng mặt cắt ngang đập trước và sau động đất

Hình 1.21 Hình ảnh đập sau động đất

Trang 34

Hình 1.22 Hình ảnh mái thượng lưu đập sau động đất

1.4 Ứng xử của đất dưới tác dụng của tải trọng động đất

Khi động đất xảy ra sẽ xuất hiện các dịch chuyển từ một điểm nhất định và lan truyền nhanh chóng dưới dạng sóng địa chấn Dưới ảnh hưởng của sóng địa chấn có thể làm hư hại công trình do hình thành các ứng xử động đất như: lực quán tính, sự thay đổi tính chất của khối đất đá, hóa mềm, hóa lỏng, chuyển vị, trượt đất hay các chuyển vị bề mặt khác, sự hình thành sóng nước…

Đập đất là loại đập được xây dựng bằng các loại đất trên nền đất hay đá Do

đó, khi xảy ra động đất có thể bị hư hỏng dưới các dạng sau:

+ Nhất thời làm tăng các lực đứng và lực ngang gây sụt lở, trượt mái;

+ Do sự rung lắc gây lún thân và nền đập;

+ Đối với cát bão hòa có thể gây ra hiện tượng hóa dẻo hay hóa lỏng tạm thời,

từ đó làm giảm hay mất khả năng chống cắt của đất, gây trượt mái;

+ Chuyển động cắt gây ra đứt gãy trên mặt đập và ăn sâu vào trong thân đập; + Hình thành sóng nước trong hồ, tác động vào mái đập gây mất ổn định

Như vậy khi có động đất xảy ra, nó sẽ ảnh hưởng xấu đến sự làm việc bình thường của đập, có thể gây vỡ đập Tuy nhiên, nếu người khảo sát thiết kế quan tâm nghiên cứu về vấn đề dự báo và thiết kế kháng chấn phù hợp thì đập đất có thể làm việc an toàn khi có động đất xảy ra

Trang 35

Hình 1.23 Một vài dạng phá hoại đập do dưới ảnh hưởng động đất

1.4.2.1 Những khái niệm cơ bản về sự hóa lỏng của đất

Trong các nguyên nhân gây hư hỏng đập dưới ảnh hưởng của tải trọng động đất, nguyên nhân đất , cát trong thân đập và nền hóa lỏng gây mất ổn định, sạt trượt mái là nguyên nhân chính Trong luận văn này tác giả xin trình bày một cách tổng quan về sự hóa lỏng của đất (Tham khảo tài liệu Assessment of soil – structure –earthquake interaction induced soil liquefaction triggering by Berna Unutmaz và Nghiên cứu hóa lỏng ở đê, đập vật liệu địa phương do động đất – Phạm Khắc Dương)

Thuật ngữ "hóa lỏng" đã được sử dụng lần đầu bởi Terzaghi và Peck (1948)

để mô tả sự mất mát đáng kể sức mạnh của cát rất rời gây ra sự cố do dòng chảy nhiễu loạn nhẹ Tương tự như vậy, Mogami và Kubo (1953) sử dụng cùng một thuật ngữ để định nghĩa sự mất khả năng sức kháng cắt do địa chấn gây ra tải trọng có tính chu kỳ Tuy nhiên tầm quan trọng của nó chưa được hiểu biết nhiều đến khi xảy ra trận động đất tại Niigata năm 1964 Robertson và Wride (1997) đưa ra:

Hóa lỏng dòng chảy

Trong báo cáo hội thảo NCEER năm 1997, hóa lỏng dòng chảy được định nghĩa là hiện tượng khi các trạng thái cân bằng bị phá hủy bởi tải trọng tĩnh hay động trong đất trầm tích với độ lớn ứng suất dư thấp… Tải tĩnh, ví dụ tòa nhà mới trên một sườn dốc mà tác dụng lực bổ sung lên đất phía dưới nền công trình Động đất, nổ mìn, và đóng cọc là tất cả các ví dụ về tải trọng động có thể kích hoạt dòng chảy hóa lỏng Sau khi bị kích hoạt, sức mạnh của đất dễ bị hóa lỏng dòng chảy không còn đủ để chịu được ứng suất tĩnh tác động lên Hóa lỏng dòng chảy thường dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng

Trang 36

Ngoài ra ta có thể hiểu hiện tượng này là hiện tượng khi trong nền đất cát rời dưới tác dụng của trọng tĩnh hoặc động trong điều kiện không thoát nước làm áp lực nước lỗ rỗng gia tăng dẫn tới ứng suất hiệu quả giảm dần theo thời gian (modun kháng cắt và cường độ chống cắt giảm của cát giảm) Hậu quả làm cho nền đất yếu dần theo thời gian cho tới khi đạt trạng thái tới hạn σ’ = 0 (σ’ là ứng suất hiệu quả) thì các hạt đất thực sự nổi trong nước lỗ rỗng mà không có sự liên kết với các hạt xung quanh, dẫn tới cát bị hóa lỏng Chi tiết về hóa lỏng dạng dòng chảy có thể tham khảo Kramer (1996), Holz và Kovac (1981)

Hóa lỏng chu kỳ

Khi bị kích hoạt bởi tải trọng chu kì xảy ra trong các trầm tích với các ứng suất cắt tĩnh nhỏ hơn cường độ chống cắt của đất thì đất có khả năng bị hóa lỏng Nói cách khác, sự gia tăng ứng áp lực đẳng hướng hiệu quả sẽ làm suy giảm khả năng linh động chu kỳ của cát

Định nghĩa theo TCVN9386-2012 “Sự giảm sức chống cắt và/hoặc độ cứng

do tăng áp lực nước lỗ rỗng trong các vật liệu rời bão hoà nước trong lúc có chuyển động nền do động đất, đến mức làm tăng đáng kể biến dạng lâu dài của đất, hoặc dẫn tới điều kiện ứng suất hữu hiệu của đất gần bằng 0, mà từ đây trở đi được coi là hóa lỏng”

Hình 1.24 Tác nhân phân phối lại khoảng trống trong đất gây ra hóa lỏng

1.4.2.2 Đánh giá khả năng hóa lỏng

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hóa lỏng của đất, cát Tính chất của đất như khối lượng thể tích, hệ số rỗng, thành phần hạt, kích thước hạt, chỉ số dẻo

Trang 37

Đặc điểm địa tầng, chiều sâu mực nước, điều kiện thoát nước, lịch sử ứng suất và phương pháp xây dựng công trình Đặc biệt cường độ và thời gian động đất có ảnh hưởng khá lớn tới khả năng hóa lỏng

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn Trung Quốc đề xuất bởi Seed và Idriss (1982)

Những loại đất có khả năng hóa lỏng Hàm lượng cát hạt nhỏ (<0,005mn) ≤ 15%

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn Trung Quốc sửa đổi bởi Andrews và Martin (2000)

Giới hạn chảy (LL)<32% Giới hạn chảy (LL)≥32% Hàm lượng

sét (< 0.002

mm) < 10%

Có khả năng hóa lỏng được

Cần xem xét thêm Cân nhắc đến kích cỡ hạt có tính dẻo không phải đất sét Hàm lượng

sét (< 0.002

mm) ≥ 10%

Cần xem xét thêm Cân nhắc đến kích cỡ hạt có tính dẻo không phải đất sét

Không có khả năng hóa lỏng

Trang 38

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

2.1 P hương pháp phân tích động đất

Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của kỹ thuật chống động đất là xây dựng các phương pháp xác định các ứng xử động lực của công trình khi chịu động đất Để xác định ứng xử của công trình chịu tác dụng của động đất, người ta sử dụng phương pháp tính toán tĩnh lực và phương pháp tính toán động lực

+ Ks = hệ số động đất; g: gia tốc trọng trường

Ưu điểm của phương pháp này là tính toán đơn giản, có thể áp dụng cho công trình có hình dạng bất kỳ Tuy nhiên, nó có nhược điểm là không chú ý đến biến dạng của công trình và đặc biệt là nó không phản ảnh được trạng thái chịu lực thực tế của công trình khi động đất xảy ra Vào những năm 40 của thế kỷ 20, phương pháp tính toán tĩnh đã nhanh chóng nhường chỗ cho phương pháp tính toán động lực

Nội dung cơ bản của phương pháp động lực trong bài toán kháng chấn là xem công trình như một hệ cơ học có số bậc tự do hữu hạn hoặc vô hạn, bị di chuyển theo nền đất x0 (t), các tính chất cơ lý của công trình được biểu diễn qua độ cứng K và hệ số cản C của từng bộ phận riêng rẽ Sau đó mô hình hóa kết cấu công trình chịu tác dụng động đất bằng hệ phương trình vi phân toán học, và kết quả sẽ tìm được ứng xử của công trình Trong phương pháp tính toán động gồm các phương pháp: phương pháp giải tích, phương pháp phổ ứng xử, phương pháp phân

Trang 39

tích theo lịch sử thời gian, phương pháp tải trọng ngang thay thế, phương pháp động lực, phương pháp ngẫu nhiên

Phương trình cơ bản về ứng xử của động đất, được thiết lập theo phương pháp phần tử hữu hạn:

[M]{a”} + [D]{a’} + [K]{a} = {F}

[M]: ma trận tổng khối lượng; [D]: ma trận cản do dẻo và nhớt;

[K]: ma trận độ cứng; {F}: vec tơ lực nút;

{a”},{a’},{a}:lần lược là vec tơ gia tốc, vec tơ vận tốc và vec tơ chuyển vị nút Phương trình cơ bản này được tích phân trực tiếp theo thời gian theo thuật toán Wilson

Để tính toán theo phương pháp động lực, trong luận văn tác giả dùng phần mềm Quake/W; nó cho phép phân tích động lực chủ yếu cho các công trình đất và môi trường địa kỹ thuật, với giả thiết là mô hình đàn hồi tuyến tính

2.2 Lý thuyết cơ sở về phương pháp phần tư hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải các bài toán mô tả bởi các phương trình vi phân riêng biệt và các điều kiện cụ thể Bắt nguồn từ việc phải giải quyết các bài toán phức tạp của khoa học kỹ thuật

Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:

- Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô

tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu, các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên);

- Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi phần tử;

- Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K và véctơ lực nút F chung cho

cả hệ (ghép nối phần tử);

- Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi

ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F;

Trang 40

- Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác định nghiệm của hệ là véctơ chuyển vị chung Q;

- Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng ) ;

- Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng theo yêu cầu

Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình 2.1)

Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f

Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)

Đọc dữ liệu đầu vào

- Các thông số cơ học của vật liệu

- Các thông số hình học của kết cấu

- Các thông số điều khiển lưới

- Tải trọng tác dụng

- Thông tin ghép nối các phần tử

- Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F

Áp đặt điều kiện biên

(Biến đổi các ma trận K và vec tơ F)

Tính toán các đại lượng khác (Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v)

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	4,37 MB